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炭黑加入量对氧化铝-碳化硅-碳质铁沟浇注料性能的影响及材料的工业化应用

来源:易耐网编辑:易耐网发布时间:2023/8/11

    要:为了探明炭黑与Al2O3-SiC-C铁沟浇注料性能的相关性主要研究了炭黑加入量对材料性能的影响。以电熔棕刚玉颗粒、碳化硅颗粒与细粉、硅微粉、α-Al2O3微粉、白刚玉微粉、Secar71水泥、Si粉、球沥青为主要原料分别以00. 5%1%1. 5%2%质量分数的炭黑等量替代白刚玉微粉外加质量分数为4. 2%的水搅拌均匀振动浇注成型研究了炭黑加入量对浇注料流动性经各温度热处理后常温物理性能及高温抗折强度、抗氧化性能的影响。结果表明:随着炭黑加入量的增大浇注料流动值先增大后减小体积密度先增大后减小显气孔率先减小后增加常温强度先增后减;高温抗折强度增大、抗氧化性能提高其原因分析与形成的β-SiC晶须和发育良好的莫来石晶体有关。加入炭黑质量分数为1. 5%浇注料的综合性能最好。根据试验实研究结果添加1. 5%炭黑的铁沟浇注料在铁沟应用中取得了较好的效果。

1 引言

我国大中型高炉出铁沟大多使用Al2O3-SiC-C质浇注料主铁沟损毁最严重的地方是落铁点侧壁空气-高炉渣-铁水接触面部位它的损毁原因主要在于碳氧化、渣侵蚀和铁水冲刷研究表明合理选择碳源的种类和加入量可以提高Al2O3-SiC-C质浇注料的使用寿命[1,2,3,4,5,6,7,8]。赵义等[1]研究了球状沥青加入量对Al2O3-Si C-C质浇注料的体积密度、显气孔率、常温耐压强度、烧后质量损失率、烧后线变化率、高温抗折强度和抗渣侵蚀性等性能的影响表明加入球状沥青的质量分数为1%浇注料的综合性能最好;樊海兵等[2]研究了鳞片石墨外加量对铁沟浇注料的体积密度、常温力学强度和抗渣侵蚀等性能的影响表明以3%质量分数的球状沥青配合0.5%质量分数的鳞片石墨作为炭素原料制备的铁沟浇注料性能优良。球沥青残碳较低鳞片石墨由于其片状结构不易引入浇注料中而炭黑作为一种比表面积很大的无定形碳具有残炭高、粒度小、反应活性大等优点经常添加在碳复合耐火制品中如镁碳砖、铝碳滑板等其引入可以降低钢水对耐火材料的侵蚀和渗透从而使耐火材料的寿命得到延长取得了良好的使用效果。因此Al2O3-SiC-C铁沟浇注料中加入炭黑有望提高铁沟浇注料的使用性能。但是炭黑对铁沟料服役机制的影响缺乏深入研究因此本文选用N990炭黑它在水中分散性良好。本文主要研究炭黑加入量对Al2O3-Si C-C质浇注料常温物理性能和高温抗折强度及抗氧化性能等的影响规律并将研究的结果应用于工业试验。

2 实验

2.1 原料

试验主要原料有:电熔棕刚玉白刚玉, 97SiC, 硅微粉 (粒度分析D50<1.5μm) 、球沥青 (软化点约为110℃) secar71水泥、98金属硅粉 (w (Si) =98.24%) , 活性Al2O3微粉 (粒度分析D50<2μm) , N990炭黑六偏磷酸钠其主要原料化学组成见表1
主要原料化学组成  
/%

2.2 试样制备

以棕刚玉、白刚玉为骨料以白刚玉、碳化硅、氧化铝等为基质以水泥为结合剂逐渐增加炭黑含量分别按质量分数为00.5%1%1.5%2%, 差值用刚玉粉补足制备成浇注料分别标记为1#2#3#4#5#, 具体试样配比见表2  
配方主要原料组成  
/%
按照表2所示配方配料将配好的物料干混60 s, 加入相同量的水 (满足施工要求为标准实验加入4.2%) 后再湿混120 s。将物料搅拌均匀在振动台上震动成型制得尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的长条试样经过常温带模养护24 h脱模之后在110℃恒温烘箱中干燥24 h, 然后分别在空气气氛下加热到1000℃1500℃, 并保温3 h烧成然后随炉自然冷却到室温。

2.3 性能检测

采用TZ-345型胶砂流动度测定仪测定浇注料的振动流动度 (30 s振动25) , 按照GBT 5072-2008GBT 2997-2000检测干燥后和烧成后试样的体积密度和显气孔率按照YB/T 5201-1993检测干燥后和烧成后试样的耐压强度按照GB/T 3002-1982检测试样的高温抗折强度 (空气气氛, 1450℃保温1 h) 。按照GBT 3001-2007测量试样烧成前后尺寸变化计算烧后线变化率。按照GB/T 13244-91测定试样脱碳层厚度。用德国蔡司扫描电镜EVO18观察其试样高温抗折断口显微结构。

3 结果与讨论

3.1 炭黑加入量对浇注料常温物理性能的影响

3.1.1 炭黑加入量对浇注料流动性能得影响

含不同含量炭黑的试样流动性能   
在相同加水量的情况下浇注料的流动值随炭黑加入量的变化见图1。从图1可以看出浇注料的流动性能随炭黑加入量的增加先变好后变差当炭黑外加超过1%流动值变化不明显当炭黑外加超过1.5%流动值逐渐变差。分析主要是炭黑分散性好粒度较细加入量较小时可以填充微小气孔减少用水量;加入量较多时游离在气孔之外增加加水量使流动值减小。

3.1.2 炭黑加入量对浇注料体积密度和显气孔率的影响

不同温度热处理后试样的体积密度和显气孔率随炭黑加入量的变化见图2。从图2 (a) 可以看出浇注料在经过110℃保温24 h1000℃保温3 h1500℃保温3 h处理后体积密度都呈现出先增大后减小的趋势;从图2 (b) 可以看出经低、中、高温处理后试样显气孔率都呈现先减小后增大的趋势都在炭黑外加1.5%时取得最小值。这是因为:一方面炭黑体密1.85 g/cm3代替了原来密度较大的白刚玉微粉使得浇注料体积密度减小;另一方面随着炭黑加入量的增加填充气孔结构致密并促进试样烧结使得试样的体积密度增大;但炭黑引入过多浇注料流动值开始下降结构致密性降低所以浇注料热处理后体积密度减小显气孔率增大。

3.1.3 炭黑加入量对浇注料不同温度处理后线变化率的影响

  1. 1000℃1500℃烧后试样线变化率随炭黑加入量的变化见图3。可以看出:经过1000℃保温3 h及经过1500℃保温3 h烧后线变化率均为正值试样均表现为膨胀;随炭黑加入量的增大, 1000℃烧后试样的线膨胀率逐渐增大分析原因可能是因为CSi8001200℃原位反应生成SiC的初晶并产生膨胀随炭黑加入量增加反应生成的SiC (初晶增多膨胀量也相应增大。1500℃烧后试样的线膨胀率呈现先增大后减小的变化趋势浇注料在炭黑外加1.5%线变化率最大。在炭黑加入量为01.5%段线膨胀率的增大可能既与生成SiC有关也与Al2O3SiO2发生莫来石化反应有关;在炭黑加入量为1.5%2%段线膨胀率减小的原因可能和结构致密性降低有关。
含不同含量炭黑的试样的体积密度 (a) 和显气孔率 (b)   
含不同含量炭黑的试样的烧后线变化率   
含不同含量炭黑的试样的冷态耐压强度   

3.1.4 炭黑加入量对浇注料常温耐压强度的影响

不同温度热处理后试样的常温耐压强度随炭黑加入量的变化见图4。可以看出:随着炭黑加入量的增加, 110℃干燥后试样的常温耐压强度变化不明显;1000℃1500℃烧后试样的常温耐压强度均呈现先增加后减小的变化趋势并且均在炭黑加入量为1.5%时达到了最大。影响试样强度的因素较多包括致密度、物相组成、显微结构等。干燥及烧后试样的常温强度随炭黑加入量变化的原因分析可能是由于炭黑是一种比表面积很大的无定型碳合适的加入量可以很好的分散在浇注料中填充气孔促进制品的致密化和烧结。

3.2 炭黑加入量对浇注料高温抗折强度的影响

炭黑加入量对浇注料高温抗折强度的影响如图5所示。如图5所示随着炭黑加入量的增加试样的高温抗折强度增大当炭黑加入量超过1.5%强度增加不大。图6是不添加炭黑试样高温抗折断口显微结构照片图中结合相主要是莫来石;7是添加1.5%炭黑的试样高温抗折断口显微照片可见试样中除了形成发育良好的莫来石晶相外且发现较多的碳化硅晶须由于碳是生成碳化硅反应的主要反应物分析在高温下空隙处形成的β-SiC晶须和良好的莫来石化与炭黑的加入有关。同时莫来石晶相和碳化硅晶对浇注料高温抗折强度的改善是非常有利的。
含不同含量炭黑的试样的高温抗折强度   

3.3 炭黑加入量对试样抗氧化性能的影响

1000℃×3 h1500℃×3 h热处理后试样断面 (40 mm×40 mm) 的表观形貌如图8所示从图8中可以看出, 1500℃的氧化程度小于1000℃的氧化程度主要和前者温度下试样表面可以形成致密氧化膜减缓了氧化程度;脱碳层随着炭黑加入量的增加而逐渐减小因此试样的抗氧化性能提高其中炭黑加入量在1.5%2%试样的抗氧化性能相当。这主要是因为随着炭黑的加入试样结构越来越致密减缓了氧气对试样的氧化。但当炭黑加2%浇注料的流动性能开始变差显气孔率开始升高氧化加快所以抗氧化性较1.5%加入量时没有明显改善。
无炭黑试样高温抗折断口显微结构照片 
综合上述性能炭黑N990Al2O3-SiC-C铁沟浇注料中最佳加入量为1.5%
添加1.5%炭黑试样高温抗折断口显微结构照片   
含不同含量炭黑的试样的抗氧化性   

4 工业试验和应用

在实验室研究结果的基础上将添加炭黑1.5%的方案在唐山某钢铁有限责任公司进行工业试验。其高炉容量为1080 m3其主沟到小坑长13.5 m, 渣沟9 m, 共用料62其中主沟用43使用至下次套拆共使用78 d出铁量约16万吨取得了较好的使用效果。

5 结论

(1) 随着炭黑N990的加入, Al2O3-SiC-C浇注料常温物理性能先提高后降低;高温抗折强度和抗氧化性能提高。炭黑加入量为1.5%浇注料综合性能较好。
(2) 在此基础上生产的铁沟浇注料取得较好的工业试验效果

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